去除飲用水中汙染物的吸附劑及其使用方法

2023-06-04 04:06:41 1

專利名稱：去除飲用水中汙染物的吸附劑及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種吸附劑，特別涉及一種去除飲用水中汙染物的吸附劑及其使用方法。
背景技術：
目前飲用水深度處理的方法有以下幾種，分別存在這樣或那樣的缺點(1)活性炭吸附法活性炭是目前所有飲用水深度處理技術應用最廣泛的一種深度處理技術，不僅對 色、嗅、味、農藥、消毒副產物和微量有機汙染物等都具有一定的吸附能力，還可以通過氧 化、催化還原、鰲合或絡合、吸附等機理有效去除鐵、錳、銅、汞、鉻、砷等重金屬，且生產方 便。活性炭是一種多孔性物質，內部具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積。其中微孔構 成的內表面積佔總面積的95%以上。研究表明，活性炭對有機物的去除主要是微孔吸附作 用，微孔是活性炭吸附有機物的主要區域。有試驗結果表明，活性炭對分子量在50(Γ3000 的有機物有十分明顯的去除效果，去除率一般為7(Γ86. 7%。常用的活性炭主要有粉末活性 炭(PAC)和顆粒活性炭(GAC)兩大類。PAC價格便宜，基建投資省，不需增加特殊設備和構 築物，適用於水質季節性及突發性事故時水源淨化處理的臨時投加。GAC在水處理中應用 廣泛，處理效果也較穩定，美國環保署(USEPA)飲用水標準的64項有機物指標中，有51項 將GAC列為最有效技術(BAT)。西歐一些水廠使用顆粒活性炭，平均可降低水中20% -30% 的總有機碳。GAC處理工藝的缺點是一般只能有效吸附分子大小在100-1000入之間的有 機物和分子量400以下的低分子量的溶解性有機物，而對於極性高的低分子化合物及腐殖 質等高分子化合物難於吸附；基建和運行費用較高；存在易滋生細菌產生亞硝酸鹽等致癌 物；相對短期或突發性汙染適應性差等。(2)生物活性炭技術生物活性炭技術是多年活性炭在飲用水處理的應用實踐中產生的，它是指水處理 過程中，有意識地助長在活性炭吸附中的好氧生物活性的處理工藝。對顆粒炭而言，微生物 群落可以分散在炭段表面，也可以成膜覆蓋在整個炭粒外表面。活性炭是一種兼有吸附、觸 媒和化學反應活性的多功能載體。微生物附著其上，可以發揮生化和物化處理的協同作用， 從而可以處理那些採用單純生化處理或炭吸附法所不能去除的汙染質，延長活性炭的工作 周期，減少運行費用而且水中氨氮可以被微生物轉化為硝酸鹽，從而減少了後氯化的投氯 量，降低了三滷甲烷的生成量，因此大大提高處理效率，改善出水水質。生物活性炭不足之 處在於一般採用自然掛膜方式，時間較長；進水濁度高，活性炭微孔極易被阻塞，導致活性 炭的吸附功能下降，在長期高濁度情況下，會造成活性炭的使用周期縮短；進水水質的PH 值適用範圍窄，抗衝擊負荷差等。(3)臭氧氧化法臭氧化技術應用最廣泛、最成功的領域是飲用水處理。臭氧是氧的同素異形體，它 的分子由3個氧原子組成。臭氧在室溫下為無色氣體，具有一種特殊的臭味。標準氣壓和溫度下，在水中的溶解度是氧氣的13倍，溫度為25°C時，臭氧的溶解度約為7mg/L。臭氧極不 穩定，在常溫下即可自行分解。臭氧在含有雜質的水溶液中迅速分解，其在水中的分解率受 水的純度影響，臭氧在自來水中的半衰期約為20min。臭氧是一種很強的氧化劑和消毒劑， 其氧化還原電位在鹼性環境中僅次於氟，遠遠高於水廠常用的消毒劑液氯。研究發現，臭氧 與有機物的反應具有較強的選擇性，它對水中已形成的三滷甲烷幾乎沒有去除作用。同時 臭氧氧化還可導致水中可生物降解物質的增多，使出廠水的生物穩定性降低，容易引起細 菌繁殖。這些因素的存在，使得臭氧很少在水處理工藝中單獨使用。臭氧在飲用水處理的 主要應用有預氧化和後氧化。預氧化主要用途為改善感觀指標，鐵、錳以及其它重金屬，藻 類，助凝，將大分子有機物氧化為小分子有機物，氧化無機物質如氰化物、硝化物等。臭氧後 氧化主要與生物活性炭聯用即臭氧生物活性炭(O3-BAC)法。進水先經臭氧氧化，使水中大 分子有機物分解為小分子狀態，這就提高了有機物進入活性炭微孔內部的可能性。活性炭 能吸附臭氧氧化過程中產生的大量中間產物，包括解決了臭氧無法去除的三滷甲烷及其前 驅物質，並且微生物附著其上，可以發揮生化和物化處理的協同作用，從而延長活性炭的工 作周期，保證了最後出水的生物穩定性。臭氧一生物活性炭的第一次聯合使用是1961年在 德國Dusse 1 dorf市及Amataad水廠中開始的，它的成功引起了德國以及西歐水處理工程界 的重視。自從德國杜爾塞多水廠首先使用至今，已有近30年歷史。現已廣泛推廣應用於歐 洲國家如法、德、意、荷等上千座水廠中，在歐洲臭氧活性炭技術被公認為處理汙染原水、減 少飲用水中有機物濃度的最有效技術。該項技術在我國正在逐步推廣應用，北京田村山水 廠、九江煉油廠生活水廠都在使用這項技術。(4)膜技術膜分離技術是以高分子分離膜為代表的一種新型的流體分離單元操作技術。它具 有物質不發生相變，分離係數大，在常溫下進行，適用範圍廣及裝置簡單，操作方便等特點， 在水處理界越來越得到廣泛的應用，包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO) 等。微濾技術是目前所有膜技術應用最廣泛的一種膜分離技術，主要用於過濾0. Γ Ομπι 大小的顆粒、細菌、膠體，微濾作為較經濟的微過濾方式在飲用水處理方面應用廣泛，可 代替常規的混凝過濾和二沉池，在水質波動較大時仍可連續處理。超濾其孔徑範圍為 0. 05 lnm，主要用於去除固體顆粒、懸浮物、大分子有機物和膠體。納濾介於反滲透和超濾 之間，其操作壓力通常為0. 5MPa^l. OMPa，納濾膜的一個顯著特點是具有離子選擇性，它對 二價離子的去除率高(95%以上)，一價離子的去除率低(40% 80% )，因此納濾廣泛應用 於水中三滷甲烷潛體、低分子有機物、農藥、異味、硝酸鹽、硫酸鹽、氟、硼、砷等有害物質的 去除[15]。反滲透膜幾乎對所有的溶質都具有很高的脫除率，反滲透出水水質很高，在水處 理中通常用於最後的精製。目前，美國、法國、英國、日本、澳大利亞、南非和荷蘭都已相繼建 立了生產性膜技術水廠。但是，膜法對進水水質要求高，且膜需要定期清洗，存在著經費和 運轉費用高的問題。我國的膜技術在飲用水深度處理領域的應用與世界先進水平尚有較大 差距，目前尚未在國內大面積使用。( 深度氧化技術飲用水深度氧化法(Advanced Oxidation Process簡稱A0P)是指用產生羥基自 由基的方式來對原水中的汙染物質進行更徹底的氧化。該技術的特點是具有極強的氧化能 力，有機物去除效率高，對水中有機優先控制汙染物如三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、六氯苯及多氯聯苯等也能有效進行分解且沒有選擇性。研究還指出，飲用水深度氧化 處理時的耗氧速度不高，反應速率受水溫變化影響較小，而且PH值變化對催化劑活性沒有 影響，使得在飲用水處理中無需調整PH值。但深度氧化法的處理費用高，設備複雜，該技術 還處於實驗室和中試階段，在經濟上還只限於小水量規模的處理。飲用水深度處理的發展趨勢近年來，鑑於水資源匱乏和水源汙染的普遍性和嚴 重性，飲用水深度處理技術的研究和應用已呈現蓬勃發展的趨勢。同時，隨著居民環保意識 的增強，生活水平的不斷提高和健康條件的日益改善，飲用水水質標準必將愈來愈嚴格，在 常規的絮凝、沉澱、過濾、消毒淨水工藝難以滿足要求的情況下，深度處理技術在給水處理 中的應用潛力巨大，發展前景十分廣闊。我國的飲用水深度處理技術同世界先進水平尚有 較大差距。由於飲用水深度處理的各種方法都有其各自的各種優、缺點，應積極研究開發各 種飲用水深度處理技術，降低投資和運行成本，根據不同水源和出水水質要求，合理選擇深 度處理工藝，更好的推進深度處理技術在給水處理工程上的應用。

發明內容
本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種淨水效果、吸附性能強的去除飲用 水中汙染物的吸附劑及其使用方法.本發明是通過如下技術方案實現的一種去除飲用水中汙染物的吸附劑，其特徵在於由以下重量百分比配比的原料 製成的70%活性炭+30%陶粒。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑，所述吸附劑是活性炭和陶粒混合而製成 的濾料；所述活性炭為活性炭顆粒。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其一種實現方式在於將活 性炭和陶粒混合後裝入濾柱內，濾柱連續進水連續出水。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其另一種實現方式在於將 活性炭和陶粒混合後作為吸附劑投入水中，吸附劑在水中的投加量為3g/L，使吸附劑和水 充分混合後過濾出水即可。本發明的作用機理和有益效果1、活性炭吸附機理活性炭對汙染物的吸附主要由兩種相互作用所決定。(1)物理相互作用包括尺寸排斥(Size Exclusion)和微孔效應。尺寸排斥決定了吸附質分子所能 進入的活性炭微孔，其效應是活性炭對吸附質分子有效吸附面積的函數，它由活性炭及目 標分子的相對「尺寸」分布決定。儘管尺寸排斥降低了活性炭對大分子有機物的吸附，在其 它因素相同時，微孔的吸附能要更大一些，因為微孔與吸附質分子的大小接近時，會在吸附 劑表面形成多個吸附點而形成表面作用力的疊加，這樣增加微孔有利於對小分子有機物的 吸附。活性炭大部分表面積存在於微孔中(< 2nm)，因此大分子汙染物有可能不能全部進 入活性炭微孔中。已有研究表明活性炭會優先吸附腐殖酸的低分子部分。但尺寸排斥並不 能解釋所有現象，比如某活性炭對兩種大分子的腐殖酸的吸附容量比對小分子的富裡酸的 吸附容量大。
(2)化學相互作用化學相互作用對大小分子均很重要。疏水性相互作用主要與吸附質和溶劑間的相 容性有關。一般來說，吸附質在水中的溶解度越小，吸附劑對其的吸附容量越大。除非特性 的色散力外，吸附質與活性炭表面(包括基平面電子、孤對電子和表面官能團)間存在特殊 的相互作用，這些表面基團可影響活性炭的表面極性及活性炭與溶劑間的相互作用。對可 離子化的吸附質來說，這種吸附機制還受到作為溶劑的水的性質的影響，例如，靜電相互作 用受PH值和離子強度的影響。2、陶粒的吸附機理陶粒去除汙染物主要基於吸附特性，作用力為色散力及骨架陰離子和孔道中陽離 子所產生的靜電力。陶粒濾料表面和內部具有大量的孔隙，且孔隙結構複雜，因而孔隙結 構是陶粒吸附能力的決定因素。由於陶粒帶有金屬離子、不飽和電荷，其表面呈強極性，對 極性分子和不飽和分子有很強的親和力，對非極性分子中極化率大的分子也有較高的選擇 吸附優勢，如氨氮、氯仿、三氯乙烷、苯胺、苯醌及腐殖酸等。例如對極性小分子有機物氯仿 (CHCl3)的吸附能力，極性的陶粒濾料遠大於非極性的活性炭。另外，陶粒表面可通過離子 交換吸附、配合反應、共沉澱等作用去除水中重金屬離子等。陶粒的吸附性能受很多因素影 響，不同陶粒由於其結構特徵不同，去除汙染物能力和表現出來的淨水效能也不同。3、周期反衝洗生物濾池反應器運行過程中，填料的機械截留與膜生物絮凝作用，使原水中的懸 浮物質及膠體顆粒不斷被截留在濾料的空隙中，濾料上生物膜的新陳代謝作用，引起生物 膜厚度的增加，當達到一定程度時，如果不及時進行反衝洗操作，會導致填料空隙率減小和 水流阻力的增大。這不僅增大了濾池的水頭損失，還可能使填料層局部出現溶解氧供應不 足，影響到生物氧化作用效果因此需要及時進行周期性的反衝洗。適宜的反衝洗操作，雖然 會造成生物量的部分損失，但有利於生物膜的更新，增強膜活性，儘管生物量有所減少，但 淨化效果基本不變。但是如果反衝洗的強度過大，就會對生物膜造成嚴重的損害，從而使出 水水質下降。所以，要維持反應器的高效、穩定的處理效果，關鍵要把握好反衝洗周期以及 控制好適宜的反衝洗強度。合適的反衝洗周期應根據水頭損失和出水水質來選擇。反衝洗 周期過長，使截留下的懸浮物沉降或粘附於填料生物膜上，妨礙微生物與水中汙染物、的傳 質過程，降低生物膜的活性，導致生物處理效果的下降，同時水頭損失大大增加，能耗增加。 反衝洗周期太短，會減少產水量，增加衝洗能耗，生物膜脫落加快，生物量減少，降低處理能 力。本發明針對水中汙染物的特性，根據飲用水深度處理的要求，從汙染物極性角度 考慮，將極性無機吸附劑一多孔性軟陶粒與活性炭組成複合濾料，去除水中的汙染物。靜 態吸附試驗研究結果表明在總投加量不變的基礎上確定複合濾料的最佳配比為70%活 性炭+30%陶粒；吸附劑最佳投加量為3g/L ；填料濾池的掛膜實驗表明該濾料較易掛膜， 經過14天的連續進水掛膜成功。掛膜成功後進行濾柱連續運行實驗結果表明該深度處 理工藝對COD-和氨氮均有良好的去除效果。整個工藝對於CODsfa的去除率變化範圍為 42%-72%，平均為58.4%。出水氨氮濃度在0. aiig/Ι以下，氨氮去除率穩定在90%左右。 與傳統方法相比，CODfc去除率由40 %左右提高到接近60 %，氨氮去除率由50 %左右提高到 90%。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。圖1為本發明吸附劑中陶粒所佔質量分數與NH3-N去除率的對應關係示意圖。圖2為本發明吸附劑投加量與NH3-N、CODsfa去除率的對應關係示意圖。圖3為本發明吸附劑掛膜期間CODsfa的去除效果示意圖。圖4為本發明吸附劑運行時間與NH3-N去除率的對應關係示意圖。圖5為本發明吸附劑填料在生物濾池運行時間與CODfc去除率關係示意圖。圖6為本發明吸附劑填料在生物濾池運行時間與NH3-N去除率關係示意圖。
具體實施例方式附圖為本發明的一種具體實施例。該實施例的去除飲用水中汙染物的吸附劑，由 以下重量配比的原料製成的活性炭70克，陶粒30克。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑，所述吸附劑可以活性炭和陶粒混合而制 成的濾料；所述活性炭最好為活性炭顆粒。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其一種實現方式在於將活 性炭和陶粒混合後裝入濾柱內，濾柱連續進水連續出水。本發明的去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其另一種實現方式在於將 活性炭和陶粒混合後作為吸附劑投入水中，吸附劑在水中的投加量為3g/L，使吸附劑和水 充分混合後過濾出水即可。本實驗綜合應用了臭氧氧化法和生物活性炭技術。首先，對試驗所採用的填料進 行了靜態吸附試驗，目的是確定複合吸附劑最佳配比、最佳投加量，通過對陶粒+活性炭復 合填料的吸附規律的探索，為下一步試驗研究奠定基礎。其次，為了使濾料上形成生物膜， 在把濾料裝填入濾柱後對複合濾料進行掛膜，進行活性炭-陶粒複合濾料掛膜實驗。最後， 在生物膜成熟後，為考察整套工藝的水處理效果，進行活性炭-陶粒複合濾料生物濾池的 連續運行實驗。實驗一活性炭陶粒靜態吸附實驗1. 1 儀器恆溫震蕩器、尤尼柯2100型分光光度計、電熱恆溫水浴鍋、電子天平。1. 2 藥品高錳酸鉀(KMnO4)、草酸鈉(Na2C2O4)、硫酸(H2SO4)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl) 等、碘化汞(HgI)、N-(l-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽(CltlH7NHC2H4NH2 · 2HC1)。1. 3實驗步驟1. 3. 1準備實驗用活性炭、陶粒1. 3. 2確定活性炭-陶粒複合吸附的最佳配比在總投加量不變的基礎上，將陶粒、90%陶粒+10%活性炭、80%陶粒+20%活性 炭、70 %陶粒+30 %活性炭、60 %陶粒+40 %活性炭、50 %陶粒+50 %活性炭、40 %陶粒+60 % 活性炭、30 %陶粒+70 %活性炭、20 %陶粒+80 %活性炭、10 %陶粒+90 %活性炭、活性炭作 為11種吸附劑進行靜態吸附試驗。在11個250ml錐形瓶中加入200ml水樣，分別加入0. 6g吸附劑，然後放在恆溫震蕩器上在室溫條件下進行震蕩4h後，靜置30min後取上清夜，測定 其CODsfa和氨氮值。1. 3. 3確定活性炭-陶粒複合吸附的最佳投加量將最佳配比活性炭+陶粒作為吸附劑進行活性炭一陶粒的靜態吸附試驗。在8個 250ml 錐形瓶中加入 200ml 水樣，分別加入 0. lg、0. 2g、0. 3g、0. 4g、0. 5g、0. 6g、0. 7g、0. 8g、 0. 9g、l. Og (0. 5g/L飛g/L)複合吸附劑，然後放在恆溫震蕩器上在室溫條件下進行震蕩，4h 達到吸附平衡後，分別靜置30min後取上清夜，測定CODfc和氨氮參數值。1. 4結果與討論實驗結果如以下圖表所示表權利要求
1.一種去除飲用水中汙染物的吸附劑，其特徵在於由以下重量百分比配比的原料制 成的70%活性炭30%陶粒。
2.根據權利要求1所述去除飲用水中汙染物的吸附劑，其特徵在於所述吸附劑是活 性炭和陶粒混合而製成的濾料。
3.根據權利要求1所述去除飲用水中汙染物的吸附劑，其特徵在於所述活性炭為活 性炭顆粒。
4.根據權利要求1至3任一項所述去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其特徵 在於將活性炭和陶粒混合後裝入濾柱內，濾柱連續進水連續出水。
5.根據權利要求1至3任一項所述去除飲用水中汙染物的吸附劑的使用方法，其特徵 在於將活性炭和陶粒混合後作為吸附劑投入水中，吸附劑在水中的投加量為3g/L，使吸 附劑和水充分混合後過濾出水即可。
全文摘要
本發明公開了一種去除飲用水中汙染物的吸附劑及其使用方法。該去除飲用水中汙染物的吸附劑，由以下重量百分比配比的原料製成的70％活性炭+30％陶粒。所述吸附劑是活性炭和陶粒混合而製成的濾料；所述活性炭為活性炭顆粒。本發明針對水中汙染物的特性，根據飲用水深度處理的要求，從汙染物極性角度考慮，將極性無機吸附劑—多孔性軟陶粒與活性炭組成複合濾料，去除水中的汙染物。吸附劑最佳投加量為3g/L；該濾料較易掛膜，經過14天的連續進水掛膜成功該深度處理工藝對CODMn和氨氮均有良好的去除效果。與傳統方法相比，CODMn去除率由40％左右提高到接近60％，氨氮去除率由50％左右提高到90％。
文檔編號C02F1/28GK102145277SQ201010107068
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者徐一凡 申請人:徐一凡